不同恢復(fù)措施對(duì)寧夏典型草原土壤碳氮儲(chǔ)量的影響

周瑤，馬紅彬1,*，賈希洋，張蕊，宿婷婷，周靜靜，吳興旺

(1.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

不同恢復(fù)措施對(duì)寧夏典型草原土壤碳氮儲(chǔ)量的影響

周瑤2，馬紅彬1,2*，賈希洋2，張蕊2，宿婷婷2，周靜靜2，吳興旺2

(1.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

為探討不同恢復(fù)措施下草原土壤有機(jī)碳、全氮儲(chǔ)量特征的變化，以寧夏黃土丘陵區(qū)典型草原為對(duì)象，對(duì)放牧(對(duì)照GG)，封育(EG)，水平溝(CG)和魚鱗坑(FG)3種不同恢復(fù)措施下0～40 cm土壤有機(jī)碳、全氮儲(chǔ)量進(jìn)行研究。研究表明:1)土壤有機(jī)碳和全氮含量以封育草地最高，分別為30.35和2.92 g/kg，放牧草地次之，水平溝草地最低(P<0.05)；C/N表現(xiàn)為封育最高，水平溝次之，放牧草地最低；各措施下土壤有機(jī)碳和全氮含量隨著土層加深整體呈下降趨勢(shì)。2)土壤有機(jī)碳和全氮密度呈封育和放牧草地較高，魚鱗坑居中，水平溝最低。各恢復(fù)措施下有機(jī)碳密度隨著土層加深而降低，全氮密度無(wú)明顯規(guī)律。3)土壤碳氮儲(chǔ)量表現(xiàn)為封育草地>放牧草地>魚鱗坑草地>水平溝草地。禁牧封育更有利于該區(qū)典型草原土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量的積累。

恢復(fù)措施；典型草原；土壤碳氮含量；碳氮密度；碳氮儲(chǔ)量

土壤有機(jī)碳和全氮是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，全球土壤碳庫(kù)中，有機(jī)碳儲(chǔ)量占62%，約為大氣碳庫(kù)的2倍、陸地生物量的2.5倍[1-2]。草地土壤有機(jī)碳和全氮可直接影響整個(gè)草地生態(tài)系統(tǒng)碳氮的穩(wěn)定性和持續(xù)性，對(duì)全球碳氮循環(huán)、緩減溫室效應(yīng)有深遠(yuǎn)的影響[3]。已有報(bào)道發(fā)現(xiàn)草地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮含量影響顯著[4]，耕地演替為草地后，土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量顯著提高[5]；不同土地利用方式下，棄耕地可有效提高土壤有機(jī)碳和全氮含量[6]；晉西北黃土丘陵區(qū)人工林可顯著提高土壤碳氮儲(chǔ)量[7]。放牧是對(duì)草原影響最廣泛的土地利用方式，長(zhǎng)期連續(xù)放牧使土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量降低，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳、全氮流失，草地土壤生產(chǎn)力下降[8]。封育是退化草地植被恢復(fù)的主要措施之一，有研究表明封育后植被恢復(fù)可使草地土壤有機(jī)碳和全氮得以累積，長(zhǎng)期封育下，典型草原土壤有機(jī)碳和氮儲(chǔ)量明顯提高[9]；封育、淺翻耕等恢復(fù)措施下退化草原土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量均有明顯提高[10]。有研究表明，半干旱黃土高原地區(qū)，水平溝和魚鱗坑可有效提高土壤養(yǎng)分含量[11]；寧夏黃土丘陵區(qū)，放牧草地實(shí)施水平溝和魚鱗坑整地后，土壤養(yǎng)分含量增加[12]?？梢?jiàn)，植被恢復(fù)對(duì)草地土壤有機(jī)碳和氮的影響明顯。

目前，寧夏黃土丘陵區(qū)典型草原已全部實(shí)施了封育禁牧措施，水平溝、魚鱗坑地表擾動(dòng)面積已占到整個(gè)丘陵草原面積的20%以上。一些研究發(fā)現(xiàn)水平溝和魚鱗坑整地后，較放牧草地而言，可明顯提高草地土壤水分和養(yǎng)分的含量[12-13]，但目前有關(guān)生態(tài)恢復(fù)措施下寧夏典型草原生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲(chǔ)量變化還需進(jìn)一步研究，水平溝和魚鱗坑措施下碳氮儲(chǔ)量的研究更是鮮有報(bào)道。因此，本研究以寧夏典型草原為對(duì)象，對(duì)封育、水平溝和魚鱗坑3種恢復(fù)措施下草地土壤有機(jī)碳、氮儲(chǔ)量的變化特征進(jìn)行研究，為該區(qū)退化草地生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)位于寧夏南部云霧山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)，介于東經(jīng)106°21′-106°27′，北緯36°10′-36°17′。海拔1800～2150 m，為典型的黃土低山丘陵區(qū)。屬于典型的中溫帶大陸性氣候，年均氣溫5 ℃，≥0 ℃的年積溫2882 ℃，年無(wú)霜期137 d，年降水量445 mm。地帶性土壤主要為山地灰褐土，pH在8.1左右。地帶性植被為典型草原，優(yōu)勢(shì)種為本氏針茅(Stipabungeana)、伴有大針茅(S.grandis)、百里香(Thymusmongolicus)等。

1.2 樣地設(shè)置及樣品的采集測(cè)定

2016年7月，在試驗(yàn)區(qū)坡度、坡向、坡位和海拔等基本一致的地段，選擇2001年實(shí)施的封育草地(exclosure grassland, EG)、魚鱗坑草地(fish-scale pits grassland, FG)和水平溝草地(contour trench grassland, CG)為研究對(duì)象，以放牧草地(未封育草地，grazed grassland, GG)為對(duì)照，3次重復(fù)。樣地植被特征見(jiàn)表1。

在不同處理樣地，按“S”形五點(diǎn)法用土鉆采取0～10 cm, 10～20 cm, 20～30 cm和30～40 cm土壤樣品， 3次重復(fù)，將土樣用塑封袋密封，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后，挑去石頭、動(dòng)植物殘?bào)w過(guò)0.15 mm篩，用于有機(jī)碳和全氮含量的測(cè)定。同時(shí)，用鐵鍬挖出土壤剖面，用環(huán)刀法按0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm和30～40 cm土層取樣，3次重復(fù)，進(jìn)行土壤容重的測(cè)定。其中水平溝和魚鱗坑草地在溝坑中取樣。土壤有機(jī)碳(soil organic carbon，SOC)用元素分析儀(Elemental rapid CS cube, 德國(guó))；土壤全氮(total nitrogen，TN)用全自動(dòng)凱氏定氮儀[8]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel進(jìn)行初步整理、計(jì)算和作圖，用DPS 7.05軟件對(duì)不同恢復(fù)措施土壤有機(jī)碳、氮含量及密度進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)。土壤碳氮密度及儲(chǔ)量計(jì)算參考楊帆等[3]的方法。

表1 樣地植被狀況Table 1 Vegetation conditions of each study areas

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note： Different letters in the same column mean significant differences at 0.05 level.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草地利用方式下土壤有機(jī)碳和全氮含量剖面變化

土壤有機(jī)碳含量受恢復(fù)措施的影響顯著(表2)，0～40 cm土層土壤有機(jī)碳和全氮含量由高到低依次均為封育草地>放牧草地>魚鱗坑草地>水平溝草地(P<0.05)。不同草地恢復(fù)措施下樣地土壤有機(jī)碳含量垂直變化規(guī)律相同，均隨著土層的加深而降低；放牧草地和封育草地全氮含量隨著土層的加深而降低，而水平溝和魚鱗坑草地土壤全氮含量則是10～20 cm最高。不同恢復(fù)措施下0～40 cm C/N表現(xiàn)為封育>水平溝>魚鱗坑>放牧草地，但垂直變化規(guī)律不明顯。

表2 不同恢復(fù)措施下土壤有機(jī)碳和全氮含量及C/NTable 2 The content of soil organic carbon and total nitrogen and C/N under different restoration measures

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一處理不同土層差異顯著(P<0.05)，同行不同大寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note： Different small letters after the same column data mean significant differences at 0.05 level, and capital letters in the same line mean significant differences at 0.05 level. GG:放牧Grazed grassland; EG:封育Exclosure grassland; CG:水平溝Contour trench grassland; FG:魚鱗坑Fish-scale pits grassland.下同The same below.

2.2 不同恢復(fù)措施下樣地土壤有機(jī)碳和全氮密度

圖1 不同恢復(fù)措施下土壤有機(jī)碳和全氮密度Fig.1 The density of soil organic carbon and total nitrogen under different restoration measures 不同小寫字母表示同一土層不同處理差異顯著(P<0.05)。Different small letters mean significant differences at 0.05 level among different treatments under same soil depth.

由圖1可見(jiàn)，各恢復(fù)措施下土壤容重差異不大，因此碳氮密度更多受碳氮含量影響。有機(jī)碳和全氮密度表明，除0～10 cm土層水平溝有機(jī)碳密度大于魚鱗坑外，其他土層有機(jī)碳密度大小均表現(xiàn)為封育>放牧>魚鱗坑>水平溝草地(P<0.05)，各措施下0～40 cm土層土壤有機(jī)碳密度與之變化相同。不同恢復(fù)措施下，土壤有機(jī)碳密度均隨著土層的加深而降低。全氮密度方面， 0～10 cm、10～20 cm土層呈封育≈放牧>魚鱗坑≈水平溝草地；20～30 cm土層土壤全氮密度呈封育≈放牧>魚鱗坑>水平溝草地，30～40 cm呈封育>放牧>魚鱗坑>水平溝草地。0～40 cm土層全氮密度整體上呈封育和放牧草地較高，魚鱗坑居中，水平溝最低(P<0.05)，封育和放牧草地間無(wú)顯著差異(P>0.05)。各措施下土壤全氮密度垂直變化規(guī)律不明顯。

2.3 不同恢復(fù)措施下樣地土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量

有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量結(jié)果表明(圖2)，不同恢復(fù)措施下，0～40 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量呈封育草地>放牧草地>魚鱗坑草地>水平溝草地。封育草地有機(jī)碳儲(chǔ)量累計(jì)達(dá)116.00 t/hm2，是水平溝(58.87 t/hm2)的1.97倍；放牧草地和魚鱗坑草地有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為85.17和65.53 t/hm2。從垂直分布來(lái)看，各恢復(fù)措施土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均隨著土層的加深而減少。全氮儲(chǔ)量方面，封育草地0～40 cm土層達(dá)到11.17 t/hm2，放牧、水平溝和魚鱗坑草地分別為11.13、6.13和6.97 t/hm2，全氮儲(chǔ)量呈封育草地>放牧草地>魚鱗坑草地>水平溝草地，與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化一致。垂直變化方面，不同恢復(fù)措施土壤氮儲(chǔ)量均表現(xiàn)為上層高于下層。

圖2 不同恢復(fù)措施下土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量Fig.2 The storage of soil organic carbon and total nitrogen under different restoration measures

2.4 土壤碳氮儲(chǔ)量與土壤容重、植被特征的相關(guān)性

相關(guān)性分析表明(表3)，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與土壤有機(jī)碳和全氮呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，全氮儲(chǔ)量與全氮含量呈顯著性相關(guān)(P<0.05)，C/N與有機(jī)碳儲(chǔ)量和含量呈正相關(guān)，與氮儲(chǔ)量和全氮含量呈負(fù)相關(guān)，與土壤容重呈顯著性負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與植物地上生物量呈顯著相關(guān)(P<0.05)；土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與土壤容重負(fù)相關(guān)，土壤全氮儲(chǔ)量與土壤容重呈正相關(guān)，但均不顯著(P>0.05)；土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量與地上生物量呈正相關(guān)(P>0.05)，與植被多樣性呈負(fù)相關(guān)(P>0.05)。

表3 不同恢復(fù)措施土壤碳氮儲(chǔ)量與土壤容重和植被特征的相關(guān)系數(shù)Table 3 The relationship between the storage of SOC (TN) and soil bulk density and vegetation characters under different restoration measures

*P<0.05，**P<0.01.

3 討論

土壤碳氮密度、儲(chǔ)量與土壤碳氮含量、容重等理化性質(zhì)有關(guān)，而土壤理化性質(zhì)的變化與草地利用方式密切相關(guān)[14]。恢復(fù)措施不同，草原土壤養(yǎng)分和容重變化不同[13]。本研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳和全氮含量均以封育草地最高，這與何念鵬等[15]研究結(jié)果一致。放牧草地碳氮含量表現(xiàn)為高于水平溝和魚鱗坑而低于封育，處于居中水平，這與放牧家畜排泄返還土壤而提高土壤養(yǎng)分有關(guān)，說(shuō)明適度放牧土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量會(huì)增加[16]，有研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于天然草地，水平溝和魚鱗坑措施實(shí)施3～5年后可提高土壤有機(jī)碳和全氮含量，水平溝高于魚鱗坑[12]。但本研究發(fā)現(xiàn)實(shí)施15年后的水平溝和魚鱗坑的有機(jī)碳和全氮低于封育草地，且魚鱗坑高于水平溝。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)卦谠O(shè)置水平溝和魚鱗坑時(shí)會(huì)將先前的地上植被回填到淺層土壤，加之整地后播種的沙打旺(Astragalusadsurgens)的短期生長(zhǎng)，土壤環(huán)境前期有利于養(yǎng)分的增加。但隨著整地年限的延長(zhǎng)，回填到土壤的植物遺體不斷分解減少，加之播種的沙打旺群落3年后的死亡，到15年時(shí)水平溝和魚鱗坑中的植被蓋度和地上生物量低于封育草地(表1)，致使其土壤碳氮含量下降。相對(duì)于水平溝草地，魚鱗坑地上生物量更高，枯落物的增加，土壤有機(jī)碳氮也表現(xiàn)為高于水平溝。土壤有機(jī)碳和全氮含量的比值是表征土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)，不同措施下放牧草地C/N 最低，封育草地C/N 最高，這是因?yàn)榉拍敛莸赝寥廊纸廨^快，且微生物同化同等重量的氮需要更多的碳。C/N在干旱半干旱黃土高原可指示地上植物生物量的大小，封育草地具有高的C/N, 說(shuō)明封育更適合草地植被生長(zhǎng)[17-18]。不同措施下土壤有機(jī)碳氮儲(chǔ)量具有表聚現(xiàn)象，這是因?yàn)橹脖桓抵饕性谕寥辣韺?，與前人研究結(jié)果一致[19]。韓娟娟等[20]研究表明，不同土地類型土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量與土壤容重呈負(fù)相關(guān)，本研究結(jié)果與此一致；有研究表明土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量與地上生物量呈正相關(guān)[21]，本試驗(yàn)中封育、水平溝和魚鱗坑亦表現(xiàn)出相同特點(diǎn)，但放牧草地除外，這與放牧家畜采食導(dǎo)致地上生物量下降以及家畜排泄返還土壤有關(guān)[16]。

在黃土高原丘陵區(qū)，不合理的草地利用方式會(huì)導(dǎo)致草原生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)存功能下降[7]。因此，草地恢復(fù)措施對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量的影響應(yīng)該受到高度關(guān)注。雖然水平溝和魚鱗坑能有效地?cái)r截地表徑流，減少水土流失[22-23]，但魚鱗坑和水平溝措施對(duì)有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量的積累不及封育，因此，實(shí)踐中應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況，因地制宜實(shí)施水平溝和魚鱗坑措施。

4 結(jié)論

0～40 cm 土層有機(jī)碳和全氮含量封育最高，水平溝最低；C/N表現(xiàn)為封育最高，放牧草地最低。土壤有機(jī)碳和全氮密度封育和放牧草地較高，水平溝最低，隨著土層的加深，土壤有機(jī)碳密度呈下降變化，全氮密度無(wú)明顯規(guī)律。土壤碳氮儲(chǔ)量均表現(xiàn)為封育>放牧>魚鱗坑>水平溝草地。

研究揭示了寧夏黃土丘陵區(qū)典型草原不同恢復(fù)措施下土壤碳氮儲(chǔ)量特征變化，相對(duì)放牧、魚鱗坑和水平溝而言，封育恢復(fù)措施更有利于該區(qū)土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量的積累。

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EffectsofdifferentrestorationmeasuresonstorageofsoilorganiccarbonandnitrogenintypicalsteppeoftheLoessHillyAreainNingxia

ZHOU Yao2, MA Hong-Bin1,2*, JIA Xi-Yang2, ZHANG Rui2, SU Ting-Ting2, ZHOU Jing-Jing2, WU Xing-Wang2

1.BreedingBaseforStateKeyLaboratoryofLandDegradationandEcologicalRestorationinNorthwestChina,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China； 2.AgriculturalCollege，NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China

Land-use strongly influences soil properties such as soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN). This study has been done to investigate changes in grassland organic carbon and nitrogen storage characteristics under different restoration measures in typical steppe of the Loess Hilly area in Ningxia, which is located in the Yunwu hills (longitude 106°21′-106°27′ E, latitude 36°10′-36°17′ N, altitude 1800-2100 m) and has a very steep slope (approx. 30-50°). The annual mean temperature is 5 ℃, with a range from approx. 22-25 ℃ in summer (July) to -14 ℃ in winter (January). The annual precipitation is 445 mm, of which 60% occurs in autumn and is associated with storm events in the July-September period that sometimes cause runoff. The storage of organic carbon and nitrogen was measured in 0-10, 10-20, 20-30 and 30-40 cm soil layers for three different restoration measures, including grazed (control), exclosure, contour trenches and fish-scale pits. Our results revealed that the content of SOC and TN were the highest in exclosure grassland (30.35 and 2.92 g/kg respectively), followed by grazed, fish-scale pits and contour trenches (P<0.05). C/N was highest in exclosure grassland, in the middle in contour trenches and fish-scale pits, and the lowest in grazed grassland. The content of SOC and TN under the different restoration measures decreased with increasing soil depth except for the content of TN of 10-20 cm soil layer in contour trenches and fish-scale pits. However, soil depth did not have an effect on soil bulk density under the different measures. The density of SOC and TN was highest in exclosure and grazed grassland, in the middle in fish-scale pits and the lowest in contour trenches. Soil depth had an effect on the density of SOC under different restoration measures whereas it had no effect on the density of TN. The storage of both soil carbon and nitrogen decreased in the following order: exclosure>grazed>fish-scale pits>contour trenches. Organic carbon storage was highly significantly positively correlated with soil organic carbon and total nitrogen content; and nitrogen storage was significantly positively correlated with total nitrogen content.

restoration measure; typical steppe; content of soil organic carbon and total nitrogen; density of soil organic carbon and total nitrogen; storage of soil organic carbon and total nitrogen

10.11686/cyxb2017070http//cyxb.lzu.edu.cn

周瑤, 馬紅彬, 賈希洋, 張蕊, 宿婷婷, 周靜靜, 吳興旺. 不同恢復(fù)措施對(duì)寧夏典型草原土壤碳氮儲(chǔ)量的影響. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(12): 236-242.

ZHOU Yao, MA Hong-Bin, JIA Xi-Yang, ZHANG Rui, SU Ting-Ting, ZHOU Jing-Jing, WU Xing-Wang. Effects of different restoration measures on storage of soil organic carbon and nitrogen in typical steppe of the Loess Hilly Area in Ningxia. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(12): 236-242.

2017-03-01；改回日期：2017-05-27

國(guó)家自然科學(xué)

基金項(xiàng)目(31460632，31360582)和中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)引進(jìn)計(jì)劃項(xiàng)目(XAB2015A10)資助。

周瑤(1993-)，女，陜西橫山人，在讀碩士。E-mail:782421997@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail: ma_hb@nxu.edu.cn